열역학 제2법칙

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물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙이다. 이 법칙을 통해 자연적인 과정의 비가역성미래와 과거 사이의 비대칭성을 설명한다.

열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다.

열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.

역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 을 흡수한 온도가 T인 계의 엔트로피 변화는 로 주어진다.

또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향하므로 영구 기관은 존재할 수 없다.

열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다.

법칙의 다른 표현[편집]

열역학 제2법칙은 다양한 방법으로 서술될 수 있다.[1] 특히 루돌프 클라우지우스(1854), 켈빈 남작(1851), 콘스탄티노스 카라테오도리(1909)의 서술이 대표적이다.[2] 이러한 서술은 특정한 과정의 불가능성을 언급하면서 일반적인 물리적 용어들을 제시했다. 클라우지우스의 서술과 켈빈의 서술은 동등한 것으로 여겨진다.[3]

역사[편집]

통계 역학[편집]

통계역학은 엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. “Concept and Statements of the Second Law”. web.mit.edu. 2010년 10월 7일에 확인함. 
  2. Lieb & Yngvason (1999).
  3. Rao (2004), 213쪽.